[논문 리뷰] Tailoring Broadband Kerr Soliton Microcombs via Post-Fabrication Tuning of the Geometric Dispersion

Grégory Moille, Daron Westly외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 39인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 웨이퍼 수준에서 10 nm 이내 정밀도로 실리콘 nitride(Si3N4) 마이크로레지오네이터의 두께를 후공정 간섭식 건식 에칭 기법을 통해 정밀하게 조절하는 기술을 제시한다. 이는 광역 Kerr 솔리톤 마이크로콤에서 기하학적 분산과 분산파(DW) 위치를 정밀하게 제어할 수 있게 하며, 높은 광학 품질 인자(Q)를 유지하면서 칩 수준의 트리밍과 다중 프로젝트 웨이퍼 통합을 가능하게 한다. 이로써 DW의 40 THz의 조정 범위와 73 GHz/nm의 감도를 달성한다.

ABSTRACT

Geometric dispersion in integrated microresonators plays a major role in nonlinear optics applications, especially at short wavelengths, to compensate the natural material normal dispersion. Tailoring of geometric confinement allows for anomalous dispersion, which in particular enables the formation of microcombs which can be tuned into the dissipative Kerr soliton (DKS) regime. Due to processes like soliton-induced dispersive wave generation, broadband DKS combs are particularly sensitive to higher-order dispersion, which in turn is sensitive to the ring dimensions at the nanometer-level. For microrings exhibiting a rectangular cross section, the ring width and thickness are the two main control parameters to achieve the targeted dispersion. The former can be easily varied through parameter variation within the lithography mask, yet the latter is defined by the film thickness during growth of the starting material stack, and can show a significant variation (few percent of the total thickness) over a single wafer. In this letter, we demonstrate that controlled dry-etching allows for fine tuning of the device layer (silicon nitride) thickness at the wafer level, allowing multi-project wafers targeting different wavelength bands, and post-fabrication trimming in air-clad ring devices. We demonstrate that such dry etching does not significantly affect either the silicon nitride surface roughness or the optical quality of the devices, thereby enabling fine tuning of the dispersion and the spectral shape of the resulting DKS states.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 전반에 걸친 Si3N4 필름의 자연스러운 두께 변동으로 인한 문제를 해결하기 위해.
• 공기 클래딩 Si3N4 마이크로레지오네이터에서 기하학적 분산을 후공정으로 조정하여 광역 분산파(DW) 스펙트럼 위치를 정밀하게 제어하기 위해.
• 높은 광학 품질 인자(Q)와 표면 매끄러움을 유지하면서 웨이퍼 수준의 선택적 건식 에칭 공정을 개발하기 위해.
• 소산성 Kerr 솔리톤(DKS) 마이크로콤에서 분산 공학을 위한 칩 수준의 트리밍을 구현하고, 다중 프로젝트 웨이퍼 런을 지원하기 위해.

제안 방법

• 반응 이온 에칭(RIE)을 이용한 선택적 건식 에칭 공정으로, 45 W RF 출력과 20 s 지속 시간을 통해 약 4 nm/단계의 해상도로 두께 감소를 달성한다.
• 파이버 커플링을 위한 저손실을 유지하면서도 후공정에서 Si3N4 층에 접근할 수 있도록 파손된 산화물 클래딩을 웨이브가이드 페시트에 적용한 공기 클래딩 마이크로레지오네이터 설계를 사용한다.
• 트리밍 중 실시간 피드백과 함께 광학적 특성 측정을 통해 분산과 DKS 상태의 진화를 정밀하게 제어할 수 있다.
• 조정된 분산 프로파일을 적용한 Lugiato-Lefever 방정식을 사용한 이론적 모델링은 실험 결과를 검증하며 고리 너비에 미치는 영향이 최소임을 확인한다.
• 웨이퍼 수준의 선택적 마스킹을 통해 동일한 웨이퍼 상에서 다양한 두께를 가지는 다중 프로젝트 제작이 가능하며, 다양한 스펙트럼 대역 요구 사항을 충족시킨다.
• 표면 거칠기 및 Q 인자 측정 결과, 에칭 후에 명백한 열화가 관찰되지 않아 광학 성능이 유지됨을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후공정 건식 에칭이 Si3N4 마이크로레지오네이터의 두께를 10 nm 이내로 조정하면서도 광학 품질 인자(Q)를 떨어뜨리지 않게 할 수 있는가?
• RQ2 두께 조정이 광역 소산성 Kerr 솔리톤(DKS) 마이크로콤에서 분산파(DW)의 스펙트럼 위치를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ3 이 트리밍 기술이 100 mm Si3N4 웨이퍼 전반에 걸친 자연스러운 두께 변동을 보완하여 목표 분산을 가진 장치의 양산성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 공기 클래딩 마이크로레지오네이터와 산화물 클래딩 웨이브가이드 페시트의 조합이 후공정 조정과 저손실을 동시에 가능하게 하는가?
• RQ5 통합된 분산 모델을 사용하여 DW의 조정 범위를 예측하고 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 건식 에칭 공정은 4 nm/단계의 두께 조정 해상도를 달성하여 Si3N4 마이크로레지오네이터의 기하학적 분산을 정밀하게 제어할 수 있다.
• DKS 마이크로콤에서 분산파(DW)의 위치는 두께 감소 1 nm당 약 -73 GHz의 속도로 조정되며, 실험 및 시뮬레이션 스펙트럼 간에 높은 일치도를 보인다.
• 트리밍 후에도 광학 품질 인자(Q)는 높고 변화가 없으며, 표면 거칠기의 명백한 증가도 관찰되지 않는다.
• 이 기술은 30 nm 두께 변화 범위에서 총 40 THz의 DW 조정 범위를 제공하며, 마이크로콤에서 광범위한 스펙트럼 제어 능력을 입증한다.
• 다양한 두께를 한 웨이퍼 상에서 선택적으로 에칭할 수 있어 다중 프로젝트 웨이퍼 제작을 지원하며, 한 칩에 다양한 장치 프로젝트를 구현할 수 있다.
• 조정된 분산 프로파일을 적용한 Lugiato-Lefever 방정식을 사용한 이론적 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 에칭 공정이 주로 물리적 과정이며 고리 너비에 영향을 주지 않는다는 것을 확인한다.